西北太平洋与南海热带气旋活动季节变化的差异及可能原因

利用1945~2011年美国联合台风预警中心(JTWC)西北太平洋热带气旋资料,研究了南海(5°N~25°N,110°E~120°E)与西北太平洋(5°N~25°N,120°E~180°)热带气旋生成位置、生成频数、强度和持续时间的季节变化差异及其成因。从热带气旋路径穿越经度带频数的角度,探讨了ENSO对气旋活动年际变化的影响。结果表明,南海热带气旋活动显著地受季风调控。在南海冬季风作用下,1~4月热带气旋生成于10°N以南且频数较少、强度较弱,这主要是低层气旋式相对涡度和弱东风切变区偏南造成的。相反,受夏季风影响,6~9月是热带气旋生成最多、最频繁的季节,大都生成于南海北部17°N附近。在5月(10月)的季节转换期,生成位置大幅度北进(南撤)且生成频数显著增加(减少),取决于风速垂直切变及中层的相对湿度的急剧转变。11、12月两海域热带气旋生成于10°N以南主要归因于其上空中层大气相对湿度较北部偏大。在西北太平洋,热带气旋生成的季节变化没有南海显著,只在7月有一次明显的变化,7~10月是热带气旋活动的"盛期"。在强度上,西北太平洋大部分区域全年均为弱东风切变,因此热带气旋以台风为主且持续时间长;但南海多为热带风暴。ENSO事件使得不同季节热带气旋生成区域和气旋路径地理位置发生显著变化。在El Nio事件期间,穿越南海所在经度带路径频数为负距平,而西北太平洋经度带为正距平;在La Nia事件期间,情况相反。     

热带气旋生成指数对印度洋热带气旋频数变化的适用性研究

本文利用ERA5 1979-2019年逐月大气再分析资料计算南北印度洋热带气旋生成指数，并和IBTrACS观测数据进行比较，探讨用热带气旋生成指数研究南北印度洋热带气旋变化特征的适用性.研究发现热带气旋生成指数能较好地刻画南北印度洋热带气旋的空间分布特征、北印度洋热带气旋个数月变化的双峰结构，以及南印度洋比北印度洋热带气旋发生概率高等特征.最新的IBTrACS v4.0观测资料显示，40年来北印度洋热带气旋每年总生成个数平均每10年增加1.3个，频数的增加主要来源于热带低压和热带风暴，而南印度洋热带气旋每年总生成个数每10年减少2.8个.热带气旋生成指数能很好地描述北印度洋热带气旋生成个数的上升趋势，但对南印度洋热带气旋生成个数趋势的刻画与观测不一致，可能原因需要进一步深入研究.     

利用海气耦合模式预测的大尺度环流进行热带气旋年频数的预测试验

基于对热带气旋生成频数和大尺度环流相关关系的分析,利用SINTEX-F海气耦合模式预测的大尺度大气环流信息,通过提取模式预测较好与热带气旋生成密切相关的有用信息,建立了一个基于动力模式预测结果的南海和西太平洋热带气旋年频数预测模型,并对1982—2010年的热带气旋生成频数进行预测试验与检验。SINTEX-F海气耦合模式能够较好预测部分与热带气旋生成密切相关的大尺度环流特征,其中包括热带气旋活动区域的海平面气压、对流层风垂直切变、850 hPa热带辐合带和850 hPa 90 °E附近的越赤道气流。利用这些大尺度环流建立的预测因子与热带气旋生成频数有很好的相关关系,利用这些预测因子建立的多元回归预测模型对热带气旋频数的拟合率为0.8(相关系数,超过99.9%的信度检验)。预测模型的交叉检验结果表明模型整体预测效果较好。交叉检验预测结果与实况热带气旋频数的相关为0.71(超过了99.9%的信度检验),距平同号率为82.8%。但模型对热带气旋异常年的预测误差较大。      

西北太平洋风速垂直切变异常对热带气旋活动年际变化的影响

应用中国《台风年鉴》资料、欧洲中心40年月平均再分析资料和NOAA的逐月海温资料,研究了西北太平洋(5°—30°N,110°E—180°)风速垂直切变异常对热带气旋(TC)活动年际变化的影响。研究发现,西北太平洋所有TC、风暴以上级别的TC(TSTY,即达到热带风暴级别及以上的所有TC)和所有台风(WTY,包括台风、强台风和超强台风)年频数与西北太平洋风速垂直切变都显著负相关。西北太平洋风速垂直切变大小对生成源地在南海(5°—30°N,110°—120°E)TC和西北太平洋西部海域(5°—30°N,120°—150°E)TC的影响较小,而对西北太平洋东部海域(5°—30°N,150°E—180°)生成的TC影响最大:即西北太平洋风速垂直切变负异常年,有利于西北太平洋东部海域TC生成发展,使得负异常年较正异常年TC频数偏多和源地平均位置偏东;并且风速垂直切变的变化对TC频数和生成源地影响的显著性,随着TC强度的增加而增加。对TSTY生成环境场的进一步分析表明,西北太平洋风速垂直切变偏小年,季风槽偏强位置偏东,它的东端位于宽阔的太平洋洋面,与弱风速垂直切变区相配合,暖的海温加上低层强烈的正涡度和强烈辐合,且相应的高层有强的气流辐散区,这些环境场都有利于TSTY在主要源地尤其是西北太平洋东部海域生成,这是风速垂直切变偏小年TSTY偏多和生成源地偏东的重要原因。     

西北太平洋热带气旋潜势分布和年际变率的数值模拟

热带气旋潜势指数是定量表征影响热带气旋生成的大尺度环境条件指标,在不能显式模拟热带气旋的气候系统模式中,常被作为热带气旋的代用指标。基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的AGCM GAMIL2.0模式在历史海温驱动下的积分结果,评估了该模式对热带气旋潜势气候态、季节循环和年际变率的模拟能力。并分别从影响热带气旋潜势分布的热力因子(相对湿度、热带气旋最大风速)和动力因子(垂直风切变、绝对涡度、垂直抬升速度)的角度,讨论了造成热带气旋潜势模拟误差的原因。结果表明,在西北太平洋地区,模式能够合理再现热带气旋潜势的气候态分布,但由于GAMIL2.0模拟的相对湿度偏大且向东延伸,造成了热带气旋潜势大值区较之再分析资料偏大且偏东10°。由于GAMIL2.0模拟的季风槽位置偏北偏强,导致模拟的热带气旋潜势季节循环北进偏早而南退偏晚。在年际变化方面,GAMIL2.0能合理模拟出热带气旋潜势在ENSO正负位相东西反向的变化特征,但位于20°—30°N的加强和减弱区的分界线偏西,这与模拟的垂直速度和相对湿度的模拟误差有关,进一步分析表明,这是由于模拟中ENSO事件期间的西北太平洋异常上升中心比观测偏西且偏强造成的。     

西北太平洋晚季台风频数突然减少的成因分析

西北太平洋地区晚季(10—12月)66%的热带气旋可以发展成为台风,其比率高于盛夏季节。基于贝叶斯突变分析的研究结果表明,西北太平洋晚季台风频数在1998年前后发生了年代际转折,即相对于1979—1997年,台风频数在1998—2016年显著减少。台风生成的空间分布情况表明,西北太平洋台风频数总体呈减少状态,减少最多的区域出现在东南部(0°～17.5°N,135°～180°E)。相应的,台风生成潜在指数(Genesis Potential Index, GPI)在该区域也明显减小。通过对比分析涡度、垂直切变、相对湿度和最大潜在强度四个主要因子对GPI变化的相对贡献大小,结果表明动力因子(垂直切变和涡度)对西北太平洋台风生成频数的年代际变化起关键作用。     

全球变暖背景下西北太平洋热带气旋生成位置及路径变化

利用JTWC 6 h热带气旋Best track资料、Hadley中心的月平均SST资料及NECP的再分析资料,对1979—2013年西北太平洋热带气旋生成位置及路径的变化进行了研究,分析了各环境场变量的作用。结果表明:1979—2013年间西北太平洋热带气旋生成位置向北、向西发生了移动。影响全年生成位置变化的环境变量为SST升高、垂直风切变减弱、700 hPa相对湿度增大、850 hPa相对涡度增大,前季、盛季和后季的影响因素各不相同。全年、盛季和后季西行路径减少,西北行及转向路径增多,而前季西北行路径减少,西行、转向路径增多。路径的变化与对流层中层引导气流的变化密切相关,而生成位置的北移,也使得热带气旋的路径更容易受到副高的影响,从而发生变化。     

NUIST地球系统模式模拟热带气旋活动的气候特征分析

采用恒定的现代外部强迫驱动第一版NUIST地球系统模式,进行了40年全球热带气旋活动模拟,分析了热带气旋活动的气候特征,并与1977—2016年观测资料对比分析。结果表明：该模式能够模拟出与热带气旋类似的结构特征,在热带气旋活动活跃的海区,模拟热带气旋生成的空间分布和影响范围与观测基本一致,但是各个海区热带气旋的生成频数与观测还存在差异。除了北印度洋海区,各个海区热带气旋生成频数的季节变化与观测相似。模式在西北太平洋海区模拟结果最好,能模拟出热带气旋的生成范围和盛行路径;在北印度洋地区模拟结果较差,北印度洋海区的相对涡度模拟与观测存在较大差异,这是模式未能模拟出北印度洋热带气旋双峰特征的主要原因。     

阿拉伯海热带气旋生成特征分析

利用印度气象局（India Meteorological Department,IMD）、国际气候管理最佳路径档案库（International Best Track Archive for Climate Stewardship,IBTrACS）提供的1982—2020年阿拉伯海热带气旋路径资料,美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）再分析资料,对近39 a阿拉伯海热带气旋源地和路径特征、活跃区域、频数及气旋累积能量（accumulated cyclone energy,ACE）指数的季节特征和年际变化特征进行分析,并结合环境因素,说明其物理成因。结果表明：阿拉伯海热带气旋多发于10°~25°N,65°~75°E海域,5—6月、9—12月发生频数较高且强度较强,1—4月、7—8月发生频数较低且气旋近中心最大风速均小于35 kn;频数的季节变化主要受控于垂直风切变要素;阿拉伯海热带气旋发生频数和ACE近年有上升趋势,年际变化主要受控于海面温度（sea surface temperature,SST）和850 hPa相对湿度要素。     

Relationship over southern China between the summer rainfall induced by tropical cyclones and that by monsoon

本文分析华南夏季风降水(P_(SM))与热带气旋降水(P_(TC))在年际和年代际尺度上的物理联系,结果表明:在年际变化上,华南P_(SM)与P_(TC)呈显著负相关。南海-西北太平洋的气旋性涡度和相对湿度增加以及垂直风切变减弱,有利于更多的热带气旋生成,从而使得华南P_(TC)增加。同时异常增暖的赤道中太平洋SST和异常偏冷的北印度洋SST会激发南海-西太平洋异常气旋,加之中国东部-日本异常反气旋的作用,使得华南P_(SM)减少。在年代际尺度上,华南P_(SM)与P_(TC)呈显著正相关,在1990s初华南P_(SM)与P_(TC)明显增加。其中,南海生成的热带气旋对华南P_(TC)年代际增多有重要贡献。前期冬春季西太平洋持续异常偏暖的SST会通过垂直环流的作用引起热带印度洋SST增暖并持续到夏季,之后偏暖的热带印度洋SST又反馈作用于西北太平洋异常反气旋,使得华南P_(SM)增加。1990s初南海夏季风爆发年代际偏早,促使华南上空的大气显热源从5月持续增加至夏季,从而有助于东亚副热带夏季风的增强和华南P_(SM)增加。     

夏季北印度洋海温异常对西北太平洋低层反气旋异常的影响

采用1957—2002年850 hPa风场的ERA-40再分析资料,分析得知西北太平洋低层环流存在着明显的年际变化。这种年际变化表征了西北太平洋夏季风的年际变化,并且会影响东亚夏季风的变化。用Hadley海表面气压以及海表温度资料诊断得到,这种夏季西北太平洋反气旋异常（WPAC,northwest Pacific anomalous anticyclone）的年际变化与北印度洋同期海表温度变化存在很好的相关。用偏相关方法消除N ino3.4信号的同期线性影响,这种同期相关更加显著,而西南热带印度洋的同期海温与WPAC的相关并不显著。数值试验结果表明,北印度洋存在正海温异常时,北印度洋降水偏多,同时伴随着西北太平洋反气旋异常。当只有西南热带印度洋有正海温异常时,北印度洋会出现东风异常且降水减少,而西北太平洋有弱的气旋异常。数值模式结果与观测数据的诊断结果相吻合,说明当夏季北印度洋海表温度为正异常时,可能会产生西北太平洋反气旋异常。     

登陆北上东路热带气旋对南通市暴雨影响对比分析

利用《热带气旋年鉴》、常规地面观测资料和ECMWF 1°×1°再分析资料,统计1992—2020年南通市热带气旋暴雨气候特征,对登陆北上东路路径下,南通市出现和未出现暴雨的热带气旋进行合成对比分析。结果表明：8月和9月南通市受热带气旋影响产生暴雨的次数最多,登陆北上东路类的热带气旋产生暴雨的概率最大,为72.2%;此路径下出现暴雨时,200 hPa南亚高压存在多个中心,中纬度地区有一支≥28 m/s的西风大风速带,500 hPa副高西伸脊点在120°E附近,南通市处在热带气旋东南侧,气旋北部有西风槽东移,850 hPa上在华东沿海存在两支较强的西南风和东南风大风速带,在热带气旋中心和南通市之间建立了水汽和能量的输送通道;暴雨发生期间,南通市上空维持着高能高湿的充沛能量,水汽通量≥18 g/(cm·hPa·s),1 000～700 hPa均为水汽通量的辐合区,整层大气均为上升运动,垂直速度中心位于400 hPa附近,最大上升速度为-400 Pa/s。     

西北太平洋热带气旋频数的气候变化及其与环境要素间的联系

使用Emanuel和Nolan完善的潜在生成指数(GPI)的计算方法,利用美国联合台风警报中心提供的热带气旋(TC)资料和欧洲中期数值天气预报中心提供的全球ERA-40再分析资料,比较了1970-2001年西北太平洋海域的TC生成频数和GPI的气候特征,分析了包含于GPI中的环境要素对西北太平洋TC频数年代际变化空间分布的影响.结果表明:GPI能近似地表述西北太平洋TC频数的季节变化和空间分布.各环境要素对TC、较弱类TC和较强类TC生成频数的影响有显著差异,相对湿度随着TC强度的增强而减弱,风速垂直切变则相反.西北太平洋TC频数年代际变化空间分布的正异常主要分布于130°E以东,(15°N,140°E)附近最大的正异常频数中心主要受绝对涡度和相对湿度正异常变化的影响;负的风速垂直切变和正的相对湿度异常变化引起了(10～15°N,160°E)附近的TC频数正异常.     

垂直分层加密和预报区域扩大对GRAPES_TYM台风预报的影响

为提升GRAPES_TYM对西北太平洋和中国南海热带气旋路径及强度的预报能力、增加对北印度洋热带气旋的预报,2019年8月GRAPES_TYM 3.0版投入业务运行。GRAPES_TYM 3.0版的模式垂直分层由GRAPES_TYM 2.2版的50层增加到68层;预报区域由覆盖西北太平洋、中国南海扩展到覆盖北印度洋。试验结果显示:模式垂直分层增加可以改进模式对强台风及超强台风的预报能力,减小平均路径预报误差、显著减小平均强度预报误差以及强度预报负偏差;模式预报区域扩大到覆盖北印度洋对平均路径误差和平均强度误差影响不显著,但长时效预报比较敏感,如20°N以北热带气旋120 h预报路径。2016—2018年的回算结果与NCEP-GFS和ECMWF的预报结果对比分析表明:GRAPES_TYM 3.0版的平均路径误差与NCEP-GFS接近,同ECMWF相比误差较大;但24—96 h强度预报误差明显小于NCEP-GFS和ECMWF,NCEP-GFS和ECMWF对热带气旋强度预报存在明显的负偏差。综上所述,模式垂直分层由50层增加到68层对热带气旋强度预报至关重要,而长时效路径预报对模式预报区域扩大到覆盖北印度洋更为敏感。      

西北太平洋区域纬向风垂直切变的气候特征研究

西北太平洋区域纬向风垂直切变的变化是影响西北太平洋热带气旋生成和发展的一个重要的动力因子,弱的纬向风切变有利于热带气旋的发生、发展。文中将西北太平洋区域纬向风垂直切变幅度(MWS)定义为850与200 hPa的纬向风之差的绝对值,以研究MWS的气候特征。结果表明,西北太平洋区域的MWS有两个主要空间模态,第1空间模态表现为在15°N以南的热带西太平洋存在MWS东西向变化相反的两个区域,20°N附近的热带西太平洋MWS的变化与其以北海区的MWS的变化相反。第2空间模态表现为在热带太平洋140°E东、西的变化相反。研究了两个模态相关的大气环流特征,发现去掉强ENSO信号后,第1模态不但与低纬度大气环流有关,而且还与南、北半球中高纬度的大气环流有关,第2模态主要与热带西太平洋和北太平洋局地大气环流有关。另外,第1模态的时间系数与赤道东太平洋海温、西北太平洋台风生成频次有着密切联系;第2模态时间系数与西北太平洋台风活动频次联系密切。     

东风和西风切变环境下西北太平洋热带气旋快速增强特征的对比

利用1980-2009年美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)整编的热带气旋(tropical cyclone,TC)最佳路径资料,定义西北太平洋TC 24 h强度变化达到总体样本96%累积概率的变化值,即35 kn作为TC快速增强的阈值。根据NCEP/NCAR资料将200~850 hPa之间 TC所处的环境纬向风切变(wind shear,WS)划分为东风切变(east wind shear,EWS)和西风切变(west wind shear,WWS)。对比了EWS和WWS环境下快速增强热带气旋(rapid intensification tropical cyclones,RITC)的统计和大尺度环境合成场特征,结果表明,近70%的TC快速增强发生在东风切变环境下。TC快速增强概率最高的月份在9月,初始强度区间为[65,75) kn。大的EWS下,850 hPa有来自南海地区的西南气流为RITC输送充沛水汽,500 hPa、200 hPa高压势力强但脊线位置偏北,RITC流出层温度低于-79 ℃,垂直结构上底层的辐合与高层的辐散也相对较强。大WWS下,850 hPa的水汽主要为来自西北太平洋的东南气流,500 hPa副热带高压断裂为几个分散的中心,200 hPa辐散相对较弱,RITC合成位置位于副热带高压西北侧的西风气流,流出层温度约-76 ℃。     

北印度洋-南海季风区热带海洋极端波候变化特征

利用1979—2016年ERA-Interim有效波高（SWH）和海表风场数据,分析了南海-北印度洋极端海浪场分布和变化.结果表明：南海-北印度洋极端SWH分布和极端风速分布形态以及年际变化趋势高度一致,说明了涌浪为主的北印度洋和风浪为主的南海一样,极端SWH都由局地的极端风速控制;强极端SWH主要分布在阿拉伯海以及南海北部,阿拉伯海北部增长与该区域气旋强度增强有着密切关系,而南海的极端SWH主要受东北季风控制;东非沿岸极端SWH线性增长趋势则与索马里急流的年代际尺度上有逐渐增强的线性趋势有关.北印度洋及南海海域极端SWH距平场的EOF分析结果表明,南海极端SWH与北印度洋表现出反相变化的特征.北印度洋（南海海域）极端SWH多出现在西南季风（东北季风）期间,因为在西南季风（东北季风）期间,极端风速也相对增强.     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

环境风速垂直切变对西北太平洋热带气旋强度变化的影响

利用2000—2006年中国气象局《热带气旋年鉴》和NCEP再分析日资料,对环境风垂直切变对西北太平洋热带气旋（TC）强度变化的影响进行统计分析。首先比较了不同高度层之间、不同水平区域平均的全风速垂直切变和纬向风速垂直切变对TC强度变化的影响,结果表明,全风速切变对TC强度变化的抑制作用显著大于纬向风速垂直切变;以200～800 km的圆环区域平均计算的风速垂直切变与TC强度变化的负相关最显著;中高层的风速垂直切变与TC强度变化的相关优于中低层。其次,全风速切变大于8 m/s后抑制TC增强,且这种抑制作用存在6～60 h的滞后。全风速垂直切变大时,滞后时间较短:当全风速切变为8～9 m/s（9～10 m/s）时,TC强度在未来60（48） h开始减弱;当全风速切变大于10 m/s时,TC在6 h内开始减弱。最后,利用偏最小二乘回归建立TC强度变化的预报模型PLS-STIPSV。结果表明,加入风速垂直切变因子后对TC强度预报有所改进,并通过分析标准化回归系数进一步证实了上述的统计结果。      

CWRF对中国近海热带气旋活动季节和年际变化及环境场影响的模拟

利用欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析资料驱动CWRF模式对1982-2016年中国近海的热带气旋活动进行了模拟,分析了CWRF对热带气旋频数季节、年际变化和路径的模拟能力,并探讨了环境场模拟对热带气旋模拟的影响。结果表明:CWRF能够合理模拟热带气旋频数的季节和年际变化,但模拟的频数较观测总体偏低,季节变化模拟总体优于年际变化的模拟;模式基本上能模拟出热带气旋路径密度的空间分布,但CWRF明显总体低估了气旋路径密度。进一步分析发现,模式模拟的环境场对模拟结果具有十分重要的影响。850 hPa气旋性与反气旋性环流异常对热带气旋频数影响显著;200 hPa反气旋性环流异常与东亚西风急流对热带气旋路径影响较大;副高会影响洋面对流运动从而影响热带气旋频数,其南侧偏东风则会影响热带气旋路径;垂直风切变偏小,在不同纬度对热带气旋的影响是不同的。